高漸飛,楊振華,2,蘇維詞,曹 洋
(1.貴州省山地資源研究所,貴陽(yáng) 550000;2.中山大學(xué)水資源與水環(huán)境系,廣州 510272)
以貴州高原為中心的中國(guó)西南巖溶地區(qū)是世界上面積最大、最集中連片的巖溶生態(tài)脆弱區(qū),面積超過(guò)55 萬(wàn)km2,也是巖溶發(fā)育最典型、石漠化最為嚴(yán)重的一個(gè)片區(qū)[1,2]。由于巖溶的強(qiáng)烈發(fā)育,地表滲漏性較強(qiáng),地表地下雙層水文結(jié)構(gòu)較為普遍,地表保持和調(diào)蓄水分能力較弱;降雨很快沿裂隙、漏斗、落水洞及缺土少林的坡面注入地下和深切的河谷,形成常見(jiàn)的“水在下,土地和人居場(chǎng)所在上”的空間不匹配格局[3-5]。此外,該區(qū)域降雨主要集中在5-9月(約占全年降雨量的70%)[6],又造成時(shí)間上的不均衡,季節(jié)性缺水。水資源的時(shí)空分布不均衡導(dǎo)致的區(qū)域水資源短缺一直是制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的嚴(yán)重問(wèn)題。近年來(lái)一批大中型骨干水利工程在解決城鎮(zhèn)人畜飲水安全,以及集中連片壩子地灌溉方面取得了顯著成效,但坡耕地長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有灌溉保障的問(wèn)題仍未得到改善。以貴州省為例,全省92.5%的土地為山地和丘陵,坡耕地支撐了農(nóng)業(yè)的大半邊天,但由于水土資源時(shí)空不匹配,農(nóng)業(yè)還是“靠天吃飯”,耕作者甚至沒(méi)有“土地需要灌溉”的意識(shí)。
受地形地貌格局的限制,該區(qū)域坡耕地灌溉水源主要靠坡面集蓄的雨水?;诖?,國(guó)家開(kāi)展的水土保持、土地整理、煙水配套及2008年起開(kāi)展的石漠化綜合治理工程等均安排有坡面集蓄水內(nèi)容,野外實(shí)地也隨處可見(jiàn)坡面蓄水池/窖,但其利用效果差強(qiáng)人意。為此,從坡面集雨工程理論、技術(shù)參數(shù)、利用方式等方面進(jìn)行系統(tǒng)梳理,旨在找出導(dǎo)致喀斯特地區(qū)坡面雨水工程難以發(fā)揮應(yīng)有效率的關(guān)鍵問(wèn)題,為后續(xù)工程的布設(shè)及其下一步開(kāi)展相關(guān)研究提供參考。
與非喀斯特地區(qū)相比,喀斯特坡地降雨地表徑流系數(shù)較小,地表產(chǎn)流量很少、會(huì)出現(xiàn)降雨幾乎全部入滲現(xiàn)象[7-9]。貴州普定及廣西環(huán)江坡面定位觀測(cè)和模擬降雨試驗(yàn)表明,坡面水文過(guò)程以地下過(guò)程為主,地表徑流一般只有在高降雨強(qiáng)度下才會(huì)產(chǎn)生,常呈現(xiàn)蓄滿產(chǎn)流機(jī)制,超滲地表徑流發(fā)生概率低[8,10,11]。彭韜等[8]在貴州巖溶地區(qū)普定縣陳旗小流域研究發(fā)現(xiàn),灌草、火燒跡地、幼林、坡耕地、稀疏灌叢、復(fù)合植被6種土地利用條件地表徑流系數(shù)介于0.01%~12.81%。張喜等[7]在黔中巖溶地區(qū)開(kāi)陽(yáng)縣魚(yú)梁河流域研究發(fā)現(xiàn),2003-2005 年不同植被類型降雨年均地表徑流系數(shù)為1.96%~21.94%。陳洪松等[10]2006-2010 年在廣西環(huán)江喀斯特地區(qū)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)雖然年降雨量1 300~2 000 mm,但無(wú)論平水年還是豐水年,火燒跡地、經(jīng)濟(jì)林、坡耕地等13種土地方式/植被類型徑流系數(shù)都<4%(0.01%~3.58%)。Wilcox 等[12]在美國(guó)愛(ài)德華茲高原巖溶地區(qū)的模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),灌木林不產(chǎn)流。觀測(cè)結(jié)果一致地證實(shí),喀斯特坡面一般很難產(chǎn)生地表徑流,徑流系數(shù)較小,介于0.01%~21.94%之間;在裸巖地區(qū)因巖層裂隙高度發(fā)育,出現(xiàn)降雨幾乎全部入滲現(xiàn)象[13-15]。
降雨性質(zhì)、土地利用/覆蓋方式、表層巖溶帶的巖溶化程度、土壤結(jié)構(gòu)等都影響著喀斯特坡面徑流過(guò)程和徑流量[16-22]。如在裂隙不發(fā)育地區(qū),其裸巖坡面的徑流量遠(yuǎn)大于草地和林地[23]。地表植被人為干擾和破壞,可能導(dǎo)致地表徑流系數(shù)增大[8],但并不一定是主要的影響因素[10]。Wilcox 等[12]在在美國(guó)愛(ài)德華茲高原巖溶地區(qū)的模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),灌木砍伐、搬移前后,灌木林地地表都不產(chǎn)流,也證實(shí)植被對(duì)坡面徑量流影響不大。與此同時(shí), Wilcox等發(fā)現(xiàn)在地表不產(chǎn)流的灌木林地卻發(fā)現(xiàn)至少50%的降水以壤中流形式出現(xiàn),草地地表徑流占10%~50%,壤中流<10%[12]。朱曉峰等在廣西環(huán)江喀斯特實(shí)驗(yàn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,深層滲漏和壤中流是喀斯特峰叢灌木林地主要水文路徑,兩者分別占降雨量的71%和9%,地表徑流僅占2%[24]。此外,表層土壤總孔隙度、毛管孔隙度與徑流量大小的負(fù)相關(guān)性達(dá)顯著水平,土壤容重對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率達(dá)-96.54%[7,16,25]。
由觀測(cè)數(shù)據(jù)可知,在喀斯特地區(qū)由于壤中流、深部基流對(duì)降雨的分配可能占主導(dǎo),使得地面以下空間結(jié)構(gòu)對(duì)徑流影響增大,與此相反植被的影響力相對(duì)減弱了。但觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,不同植被壤中流所占降雨量比重差距還是比較大,有必要深入探索不同區(qū)域、不同植被條件坡面對(duì)降雨的分配規(guī)律,以探究進(jìn)一步利用各部分徑流的可能。
喀斯特地區(qū)坡面徑流利用方式可歸納為2種。一是選擇荒坡、林地、灌木林地、疏林地、草地和坡耕地等自然坡面為集雨面,在集流場(chǎng)下方修建攔截水壩/溝,將坡面徑流攔截引入沉沙池,泥沙沉淀后存貯于蓄水池(水窖或水柜),在坡面形成單個(gè)獨(dú)立的“集-引-蓄”水工程。這種“獨(dú)立式”集蓄工程建設(shè)時(shí)自由度較高,可布置在坡地中上部地勢(shì)較高位置,以獲得較高水勢(shì);但由于涵蓋集雨區(qū)面積較小,其來(lái)水量一般僅夠單個(gè)30~60 m3蓄水設(shè)施用,僅能灌溉較小面積的土地。第二種是,在適合的位置修筑攔截水壩/溝截取自然坡面沖溝、溪溝降雨徑流,經(jīng)過(guò)沉砂引入蓄水池,并利用自然地形,溢出的水又引流至位置較低的下一級(jí)蓄水池,如此一直延續(xù),可覆蓋整個(gè)坡面,形成 “長(zhǎng)藤結(jié)瓜式”的坡面集蓄系統(tǒng)[25]。這種“串聯(lián)式”徑流集蓄工程具有能集蓄水量大,徑流蓄積效率高,覆蓋面積大等優(yōu)勢(shì);但由于較好的攔截位置一般在山體中下部,因此灌溉區(qū)域會(huì)受到一定限制。
坡面徑流集蓄工程布設(shè)工程中首先需要根據(jù)集流坡面的大小來(lái)估算來(lái)水量,進(jìn)而確定水池(水窖、水柜)的容積和數(shù)量。坡面來(lái)水量可用坡面集雨公式(1)來(lái)估算。
W=αHF
(1)
式中:W為坡面來(lái)水量;α為徑流系數(shù);H為多年平均降雨量;F為坡面投影面積。
其中,H一般能獲取較為準(zhǔn)確數(shù)值,F(xiàn)通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)量可得較準(zhǔn)確數(shù)據(jù),但α值一般參照規(guī)程規(guī)范在0.4~0.6之間取值[27-29]。喀斯特流域尺度徑流系數(shù)可能比較接近這個(gè)數(shù)值范圍,但坡面徑流系數(shù)與之差異很大。如貴州普定陳旗小流域徑流系數(shù)為0.4,坡面徑流系數(shù)卻小于2%[8,14]。前文綜述亦可知,喀斯特坡面徑流系數(shù)介于0.01%~21.94%之間,在一些區(qū)域會(huì)出現(xiàn)降雨幾乎全部入滲,基本不產(chǎn)流現(xiàn)象[10,11,13]。也就是說(shuō),第一種坡面徑流收集方式中,由于徑流系數(shù)取值遠(yuǎn)高于實(shí)際,坡面產(chǎn)生不了設(shè)計(jì)估算的來(lái)水量,導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的蓄水設(shè)施容積過(guò)大,出現(xiàn)蓄不滿水甚至空置情況。而這種利用方式在喀斯特地區(qū)占主導(dǎo),蓄水池空置現(xiàn)象極為普遍,大量坡面集雨工程無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的服務(wù)功能。
喀斯特坡面徑流集蓄利用工程布設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程,首先考慮集水區(qū)大小、坡面徑流量,進(jìn)而要看地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)是否適合修建蓄水設(shè)施,還得考慮建設(shè)材料的運(yùn)輸成本。但工程設(shè)計(jì)中,大多只考慮地基穩(wěn)定和方便施工,因此出現(xiàn)很多的坡面集水蓄水設(shè)施布局于地塊中間、道路上方,完全沒(méi)有考慮是否能收集到雨水問(wèn)題;有一定集雨面的,也沒(méi)有根據(jù)實(shí)際徑流量來(lái)推算所需蓄水設(shè)施容積。此外,為施工和工程驗(yàn)收方便,一個(gè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)主管部門(mén)往往要求蓄水設(shè)施定額到同一個(gè)規(guī)格,如30、40、50、60、100 m3。而這些工程竣工驗(yàn)收時(shí)只考核是否完了成設(shè)計(jì)方案中的工程量,長(zhǎng)期以來(lái)忽略了對(duì)工程使用效率的檢驗(yàn)。這些因素導(dǎo)致整個(gè)喀斯特地區(qū)坡面集雨工程難以發(fā)揮應(yīng)有的作用,閑置、廢棄現(xiàn)象極為嚴(yán)重,造成極大的浪費(fèi),且這種情況還在繼續(xù)。
喀斯特地區(qū)降雨主要集中在汛期5-9月(約占全年降雨量的70%)[6],常規(guī)情況下林木在12-3月需要灌溉,而此時(shí)雨季收集到的水因蒸發(fā)已損耗了大部分;剩余部分由于喀斯特坡面集水含有大量泥沙、枯枝落葉等雜質(zhì),不能直接用于噴灌、滴灌等節(jié)灌方式。目前對(duì)集蓄雨水使用方式多是以軟管引出直接淋到植物根部,這種方式節(jié)水性差,灌溉不了多少土地,雨水利用效率較低。因此,需要一方面探索坡面雨水沉淀、過(guò)濾處理等簡(jiǎn)易方法,另一方面應(yīng)根據(jù)喀斯特坡地土地破碎、分散的實(shí)際對(duì)當(dāng)前技術(shù)設(shè)備進(jìn)行改造、組裝、研發(fā)適合的灌溉設(shè)備。
喀斯特地區(qū)降雨被坡面分解成三部分,一部分成為坡面徑流,一部分壤中流,其余為深部基流[30]。國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致證實(shí),喀斯特坡面地表不易產(chǎn)流、徑流系數(shù)較低,降雨以地下水文過(guò)程為主[12,24,30]。地表植被對(duì)喀斯特坡面徑流影響不大,但不同植被壤中流量差距卻比較大,喀斯特坡面產(chǎn)流的影響機(jī)制顯得更為復(fù)雜。
當(dāng)前,喀斯特坡面徑流取得的研究成果尚不能支持坡面集雨工程布設(shè)的實(shí)際應(yīng)用需求。不同地貌、不同巖性條件下,各種土地利用/覆蓋方式徑流產(chǎn)匯流規(guī)律?同時(shí)涵蓋多種土地利用/覆蓋的坡面徑流特征又如何?都需要大量的野外實(shí)地觀測(cè),并在此基礎(chǔ)上探討與實(shí)際相符的徑流量估算參數(shù)及公式以指導(dǎo)坡面集流工程布設(shè)。
考慮到喀斯特坡面徑流系數(shù)比較小,難以收集足夠雨水的特殊性,集雨工程建設(shè)中應(yīng)充分利用主干道路、機(jī)耕道、耕作便道等作為集雨面,配套建設(shè)蓄水設(shè)施,提高集雨效率。同時(shí),要關(guān)注適合于喀斯特坡地,土地破碎,分散度高的節(jié)水灌溉設(shè)備與方法。在坡面集雨工程建設(shè)管理中應(yīng)當(dāng)在當(dāng)前驗(yàn)收數(shù)量的基礎(chǔ)上,上升到評(píng)估效率和質(zhì)量上來(lái)。
此外,中共十九大會(huì)提出“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”,實(shí)施“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”,其核心就是要發(fā)展農(nóng)村生態(tài)產(chǎn)業(yè),而在廣大巖溶山區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的空間就是坡耕地。以貴州省為例,2017年12月貴州省出臺(tái)了《關(guān)于調(diào)整優(yōu)化2018年玉米種植結(jié)構(gòu)的實(shí)施方案》,明確25°以下坡耕地(24 萬(wàn)hm2)主要改種蔬菜、中藥材、水果和其他特色糧食作物;25°以上坡耕地(94.167 萬(wàn)hm2)全部退耕還林還草和種植經(jīng)果林、茶葉、中藥材等。大面積坡耕地要發(fā)展特色作物及經(jīng)濟(jì)林,要確保農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整取得成效,灌溉保障是核心問(wèn)題之一,而坡面雨水是最主要的灌溉水源,因此,相關(guān)的研究可謂迫在眉睫。
喀斯特坡面降雨被分配地表、土壤徑流和深部急流三部分,且后兩者占主導(dǎo);為此,坡面一般很難產(chǎn)生地表徑流,徑流系數(shù)較小,介于0.01%~21.94%之間;在裸巖地區(qū)因巖層裂隙高度發(fā)育,出現(xiàn)降雨幾乎全部入滲,地表不產(chǎn)流現(xiàn)象。
喀斯特坡面徑流集蓄利用是一項(xiàng)復(fù)雜工程,要同時(shí)考慮集水區(qū)大小和坡面徑流量、地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)、材料運(yùn)輸成本等因素。其中,基于坡面徑流系數(shù)估算的徑流量最為關(guān)鍵的參數(shù),直接決定著坡面集雨工程布設(shè)的成敗。當(dāng)前,喀斯特地區(qū)坡面集雨工程常出現(xiàn)蓄不滿水甚至空置現(xiàn)象,其核心問(wèn)題之一就是自然坡面徑流系數(shù)取值遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際值,導(dǎo)致來(lái)水量估算過(guò)大。
若無(wú)準(zhǔn)確的徑流系數(shù)值和貼合實(shí)際的坡面水量計(jì)算方法,喀斯特地區(qū)新修建的坡面徑流集蓄利用工程可能重蹈覆轍(荒廢或成擺設(shè)),無(wú)法提供應(yīng)有服務(wù),應(yīng)引起足夠的重視。